300 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道CFD仿真與實(shí)際運(yùn)行分析

張雪松，鄭 琳

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司,河北唐山 063016)

1 概述

轉(zhuǎn)爐汽化冷卻設(shè)備的實(shí)質(zhì)即余熱鍋爐，它以煉鋼生成的高溫?zé)煔庾鳛闊嵩矗惺苤邷責(zé)煔鈩×业臏囟茸兓闹饕饔糜欣鋮s、導(dǎo)流和收集煙氣等。目前，轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道的使用情況不是很理想，在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生爆管的現(xiàn)象，檢修工作量大，而且需要停爐，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，經(jīng)研究表明，由于汽化冷卻系統(tǒng)水質(zhì)差造成排管內(nèi)結(jié)垢、堵塞，從而管道局部過(guò)熱干燒造成爆管以及高溫?zé)煔鈱?duì)煙道內(nèi)壁沖刷腐蝕是轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道在運(yùn)行過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，另外，在斜煙道直段拐角處以及彎曲煙道拐彎內(nèi)側(cè)容易積灰，而蒸發(fā)冷卻器靠煙道內(nèi)側(cè)結(jié)垢比較嚴(yán)重，這與煙氣在煙道內(nèi)流動(dòng)情況以及汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)形式有直接關(guān)系。

轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的煙氣以一定的速度進(jìn)入煙道，煙氣與煙道的換熱方式主要有輻射換熱與對(duì)流換熱，煙氣進(jìn)入煙道時(shí)大約有1500℃，到尾部煙道出口被冷卻到900℃左右，文章結(jié)合首鋼京唐公司300 t轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)煙道做了一定的假設(shè)與簡(jiǎn)化，用FLUENT軟件模擬煙道內(nèi)的煙氣流場(chǎng)，并對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)際情況相聯(lián)系，進(jìn)行分析。

2 煙道模型建立

按照煙氣流動(dòng)方向，取汽化冷卻煙道的固定煙罩、橫移煙道、斜煙道以及彎曲煙道（包括檢查蓋板）作為模擬對(duì)象來(lái)建立模型，整個(gè)煙道在X方向跨度為19.8 m，Y方向跨度為11.5 m及Z方向跨度為35.5 m，煙道入口處直徑取罩群頂部直徑為4.69 m，固定段入口直徑取4.32 m，后邊全部取4.19 m，如圖1所示。

京唐公司300 t轉(zhuǎn)爐采取頂?shù)讖?fù)吹的煉鋼方式，頂吹氧氣，底吹氬氣、氮?dú)猓D(zhuǎn)爐煉鋼分為前期、中期和后期三個(gè)階段，其中冶煉中期煙氣流量、流速最大，取其為研究對(duì)象進(jìn)行模擬，物理模型如圖2所示。

煙道入口煙氣流速分別取5 m/s和15 m/s進(jìn)行模擬，煙氣流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)定常流動(dòng)。劃分網(wǎng)格時(shí)直接畫(huà)體網(wǎng)格，采用四面體不規(guī)則網(wǎng)格，共劃分724689個(gè)網(wǎng)格單元，網(wǎng)格最大扭曲度為0.776422，縱橫比為3.40913，由于是多項(xiàng)流模型，選用壓力基求解器，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型，輻射模型選用P-I模型，方程離散采用一階迎風(fēng)格式，壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)采用SIMPLE算法耦合，在混合模型設(shè)置中不選擇無(wú)滑移的，在混合模型面板下將體積力公式選擇隱含體積力，這種處理通過(guò)解決壓力梯度和動(dòng)量方程中體積力的部分平衡提高了解的收斂。

圖1 汽化冷卻煙道示意圖

圖2 汽化冷卻煙道物理模型

3 仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行狀況分析

煙道入口煙氣流速為5 m/s時(shí)煙氣流場(chǎng)的不同截面圖如圖3、圖5、圖7、圖9，煙道入口煙氣流速為15 m/s時(shí)煙氣流場(chǎng)的不同截面圖如圖4、圖6、圖8、圖10，對(duì)比兩種流速的模擬結(jié)果可以看出，煙道入口煙氣流速的變化對(duì)整個(gè)煙道內(nèi)煙氣的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)的整體趨勢(shì)和方向影響不大，,總體趨勢(shì)與方向基本一致，煙道內(nèi)部的煙氣流動(dòng)是由尾部的軸流風(fēng)機(jī)提供的動(dòng)力，圖3、圖4為煙氣流經(jīng)彎曲煙道的流線圖，從圖中可以看出煙氣流過(guò)彎曲煙道180°轉(zhuǎn)角在煙道的內(nèi)側(cè)形成漩渦狀流動(dòng)，而且現(xiàn)象明顯，影響煙氣流速，而且漩渦位置易造成排管表面積灰，影響煙道局部換熱，造成局部應(yīng)力過(guò)大，結(jié)合圖5、圖6（Z方向溫度場(chǎng)截面圖）可以發(fā)現(xiàn)漩渦狀流動(dòng)之后煙道內(nèi)側(cè)溫度較低，外側(cè)溫度較高。整體看Z方向溫度場(chǎng)截面圖，煙道入口處溫度最高，沿?zé)煹乐睆椒较蛑苓厹囟缺戎行臏囟纫停@是由于沿壁面煙氣與煙道換熱相對(duì)較充分，沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向成規(guī)律性遞減。

圖3 5 m/s彎曲段流線圖

圖4 15 m/s彎曲段流線圖

圖5 5 m/s Z方向溫度場(chǎng)截面圖

圖7 、圖8為煙道X方向速度場(chǎng)截面圖，圖9、圖10為Z方向煙道出口速度截面圖，圖7、圖8中可以看出煙氣流經(jīng)彎曲煙道時(shí)，在彎曲煙道前段內(nèi)側(cè)、后端外側(cè)煙氣流速比較大，后端內(nèi)側(cè)煙氣流速最小，往外速度呈階梯狀逐漸變大，速度大的地方對(duì)煙道內(nèi)壁沖刷也就相對(duì)較嚴(yán)重，京唐公司汽化冷卻煙道為德國(guó)設(shè)計(jì)制造，斜直煙道末端與彎曲煙道拐彎處為50°拐角，由于此處煙氣流動(dòng)方向突然拐彎，在拐角處煙氣流速低，易形成漩渦，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的各種因素，導(dǎo)致煙氣中含有水蒸氣，轉(zhuǎn)爐煉鋼是間歇性的，在不吹煉時(shí)，煙氣溫度較低，此時(shí)煙氣中水蒸氣消化不完全，在拐角處極易積灰，時(shí)間長(zhǎng)了，便會(huì)形成板結(jié)塊，與實(shí)際運(yùn)行情況相符，每次利用檢修和爐役對(duì)煙道內(nèi)積灰進(jìn)行清理。

另外，彎曲煙道后端內(nèi)側(cè)煙氣流速較小、溫度較低，外側(cè)速度大、溫度高，這種不均勻的速度分布和溫度分布，直接影響后邊的蒸發(fā)冷卻器的運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)蒸發(fā)冷卻器噴嘴布置是等距均勻的，這就使得煙氣流速小、溫度低的內(nèi)側(cè)噴嘴噴出的水霧不能充分蒸發(fā)掉，因此容易結(jié)垢，與實(shí)際運(yùn)行中存在問(wèn)題一致，每次檢修檢查蒸發(fā)冷卻器噴槍，發(fā)現(xiàn)靠?jī)?nèi)側(cè)大量結(jié)垢，需要檢修人員用高壓槍進(jìn)行沖洗，并且靠?jī)?nèi)側(cè)蒸發(fā)冷卻器噴頭經(jīng)常被泥垢堵死，平均每?jī)蓚€(gè)月對(duì)內(nèi)側(cè)堵死的噴槍進(jìn)行更換。

圖7 5 m/s X方向速度場(chǎng)截面圖

圖8 15 m/s X方向速度場(chǎng)截面圖

圖9 5 m/s煙道出口速度截面圖

圖10 15 m/s煙道出口速度截面圖

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道CFD仿真模擬，得到煙氣流動(dòng)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等，在彎曲煙道前端內(nèi)側(cè)與后端外側(cè)煙氣流速最大，時(shí)間長(zhǎng)了管壁會(huì)變薄，容易發(fā)生泄露，可以對(duì)管道做加厚處理或做防護(hù)。

在彎曲煙道前端拐角處和后端內(nèi)側(cè)煙氣流速慢，易形成漩渦，煙道局部積灰嚴(yán)重，影響排管換熱效果，需要利用轉(zhuǎn)爐爐役進(jìn)行清理，在煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面可以考慮斜直煙道末端與彎曲煙道交界處圓滑過(guò)度，避免出現(xiàn)尖角。

另外，煙道出口的溫度分布與速度分布為蒸發(fā)冷卻器的噴嘴布置提供依據(jù)，在實(shí)際中，對(duì)于煙氣速度較大、溫度較高的外側(cè)基本無(wú)結(jié)垢，外側(cè)煙氣可以將噴出的水霧平衡掉，所以目前噴嘴的布置及噴水霧量對(duì)于外側(cè)是基本滿足的，而內(nèi)側(cè)則大量結(jié)垢，每次檢修都要對(duì)結(jié)垢區(qū)域進(jìn)行高壓沖洗，不但增加了費(fèi)用，而且影響生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，可以根據(jù)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的分布，減小內(nèi)側(cè)噴嘴數(shù)量或減小噴水霧量，避免或降低結(jié)垢程度，進(jìn)而降低對(duì)生產(chǎn)的影響。

由于轉(zhuǎn)爐煉鋼是周期性的，因此余熱鍋爐在運(yùn)行中負(fù)荷波動(dòng)較大，汽化冷卻煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)與傳熱情況復(fù)雜，伴隨CFD理論技術(shù)日漸成熟以及計(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻煙道做更全面深入的研究具有非常重要的意義。

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